CN113296132A - 一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,包括以下步骤:伪不变目标区域筛选;伪不变目标数据提取;伪不变目标大气顶方向模型构建;伪不变目标大气顶方向特性订正;仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建;RVS在轨时间变化特性分析,本发明适用于卫星载荷定标技术领域,通过进行伪不变目标区域筛选,数据提取,再进行模型构建,方向特性订正,进而得到不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列,经过数据分析可得出仪器辐射响应角度依赖关系RVS,以及RVS在轨时间变化特性,基于所获得的辐射响应的角度依赖关系可为卫星载荷定标校正优化提供有效依据,获得更为可靠的辐射响应,提高在轨定标质量。
Description
技术领域
本发明属于卫星载荷定标技术领域,具体是一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法。
背景技术
卫星遥感器的研究显示太阳反射波段的辐射响应对入射角度存在依赖关系,在遥感器在轨辐射定标处理过程中,需要使用辐射响应角度依赖RVS查找表LUT来校正不同入射角AOI下的辐射响应差异,RVS一般在发射前通过实验室测量获得,在轨可以利用太阳+漫反射板星上定标装置,以及稳定的月球定标观测,获得特定角度下的RVS。
RVS特性在轨存在变化,如,MODIS Terra和Aqua在波段8在轨响应衰变的影响下,RVS变化分别高达35%和20%,对卫星产品精度产生严重影响,若遥感仪器没有太阳+漫反射板星上定标装置,以及稳定的月球定标观测,则无法按照上述技术方案在轨获得辐射响应的角度依赖特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法。
为实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,包括以下步骤:
伪不变目标区域筛选,其中,区域筛选原则为覆盖区域的范围具有代表性、区域长期稳定性好、且覆盖不同扫描角度;
伪不变目标数据提取;
伪不变目标大气顶方向模型构建;
伪不变目标大气顶方向特性订正;
仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建;
RVS在轨时间变化特性分析。
优选的,所述伪不变目标区域包括但不仅限于沙漠Libya1、Libya4、Sonora、Algeria5。
优选的,所述伪不变目标数据提取,包括以下步骤:
获取有效晴空数据;
扫描角度分为若干个角度区间;
将有效晴空数据基于扫描角度的若干个角度区间分为若干个有效晴空数据组,若干个有效晴空数据组分别进行冷空背景、日地距离和太阳天顶角校正,并基于辐射定标系数,获得对应扫描角度下有效晴空数据组的大气顶反射率Ref时间序列,计算公式为:
Ref=Slope*(EV-SV)/(cos(solz)*dss),
其中,solz为太阳天顶角,dss为日地距离校正因子,SV为冷空背景值,EV为对地观测数码值,Slope为定标系数。
优选的,所述获取有效晴空数据,包括以下步骤:
提取伪不变目标中心点N*N窗口的对地观测数据,筛选近天底观测数据;
以窗口内变异系数作为晴空判据,对窗口数据进行均匀性检测,以变异系数小于阈值TH的窗口均值数据形成时间序列;
设置云检测反射率阈值MaxRef,剔出波段反射率大于MaxRef的数据;
以每个有效数据前后M个数据点滑动计算均值和标准差,得到数据均值±1.5*标准差包络线,剔除包络线外的数据,获得有效晴空数据;
所述扫描角度分组,分为若干个角度区间,包括以下步骤:根据伪不变目标对应的仪器扫描角度统计特征,将扫描角度进行分组,将可能的对地扫描角度范围分为若干个角度区间。
优选的,所述N值为15,所述阈值TH为0.05,所述M为10,所述MaxRef为0.5,所述近天底观测数据包括但不仅限于卫星天顶角SenZ<20度。
优选的,所述伪不变目标大气顶方向模型构建,包括:
对于特定目标的特定角度分组数据,选择定标状态相对稳定的时间段,基于大气顶反射率数据和观测几何数据,采用MODIS的核参数BRDF模型进行建模,回归得到BRDF模型参数k0(λ)和k1(λ);
ρ(λ,θ,φ,ψ)=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
其中,λ是波长;θ,φ,和ψ分别是太阳天顶角,卫星天顶角和相对方位角;ρ为大气顶反射率,k0,k1和k2为模型系数,f1和f2为体散射和几何光学核。
优选的,所述伪不变目标大气顶方向特性订正,包括:
基于BRDF模型参数,对大气顶反射率数据Ref时间序列进行方向性校正,得到大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm:
ρ1=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
ρ0=k0(λ)+k1(λ)f1(0,0,0)+k2(λ)f2(0,0,0),
Refnorm=Ref/ρ1*ρ0,
其中,ρ1为采用BRDF模型计算的瞬时观测角度(θ,φ,ψ)下的大气顶反射率,ρ0为当θ,φ,ψ三个角度都为0时的大气顶反射率。
优选的,所述仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建,包括:
设定基准角度参考,基于不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm,计算归一化反射率与基准角度归一化反射率的比值,得到入射角AOI所对应的RVS时间序列数据,以二次多项式形式,建立RVS和AOI的函数关系。
优选的,所述RVS在轨时间变化特性分析,包括:
基于上述得到的RVS时间序列,根据上述角度分组,绘制RVS与时间关系图。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明通过进行伪不变目标区域筛选,数据提取,再进行模型构建,方向特性订正,进而得到不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列,经过数据分析并得出仪器辐射响应角度依赖关系RVS,以及RVS在轨时间变化特性,解决辐射响应角度依赖特性的在轨评估监测与更新问题,弥补缺少太阳+漫反射板定标装置或者稳定月球定标观测的不足,基于所获得的辐射响应的角度依赖关系可以为卫星载荷定标校正优化提供有效依据,得到更为稳定的辐射响应,提高在轨定标质量。
附图说明
图1是本发明的流程图;
图2是本发明优选实施例中的伪不变目标晴空数据提取流程图;
图3是本发明优选实施例中的伪不变目标大气顶方向模型构建流程图;
图4是本发明优选实施例中的伪不变目标大气顶方向特性订正流程图;
图5是本发明优选实施例中不同扫描角区间大气顶反射率Ref的时间变化图;
图6是本发明优选实施例中BRDF订正后不同扫描角区间归一化大气顶反射率Refnorm的时间变化图;
图7是本发明优选实施例中RVS和AOI的关系关系图;
图8是本发明优选实施例中RVS在轨时间变化时间关系图。
具体实施方式
以下结合附图1-8,进一步说明本发明一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法的具体实施方式。本发明一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法不限于以下实施例的描述。
实施例1:
本实施例给出一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法的具体结构,如图1所示,包括以下步骤:
伪不变目标区域筛选,其中,区域筛选原则为覆盖区域的范围具有代表性、区域长期稳定性好、且覆盖不同扫描角度;
伪不变目标数据提取;
伪不变目标大气顶方向模型构建;
伪不变目标大气顶方向特性订正;
仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建;
RVS在轨时间变化特性分析。
具体地,伪不变目标区域包括但不仅限于沙漠Libya1、Libya4、Sonora、Algeria5。
具体地,伪不变目标数据提取,包括以下步骤:
获取有效晴空数据;
扫描角度分为若干个角度区间;
将有效晴空数据基于扫描角度的若干个角度区间分为若干个有效晴空数据组,若干个有效晴空数据组分别进行冷空背景、日地距离和太阳天顶角校正,并基于辐射定标系数,获得对应扫描角度下有效晴空数据组的大气顶反射率数据Ref时间序列,计算公式为:
Ref=Slope*(EV-SV)/(cos(solz)*dss),
其中,solz为太阳天顶角,dss为日地距离校正因子,SV为冷空背景值,EV为对地观测数码值,Slope为定标系数。
具体地,获取有效晴空数据,包括以下步骤:
提取伪不变目标中心点N*N窗口的对地观测数据,筛选近天底观测数据;
以窗口内变异系数作为晴空判据,对窗口数据进行均匀性检测,以变异系数小于阈值TH的窗口均值数据形成时间序列;
设置云检测反射率阈值MaxRef,剔出波段反射率大于MaxRef的数据;
以每个有效数据前后M个数据点滑动计算均值和标准差,得到数据均值±1.5*标准差包络线,剔除包络线外的数据,获得有效晴空数据;
扫描角度分组,分为若干个角度区间,包括以下步骤:根据伪不变目标对应的仪器扫描角度统计特征,将扫描角度进行分组,将可能的对地扫描角度范围分为若干个角度区间。
具体地,N值为15,阈值TH为0.05,M为10,MaxRef为0.5,近天底观测数据包括但不仅限于卫星天顶角SenZ<20度。
进一步的,伪不变目标大气顶方向模型构建,包括:
对于特定目标的特定角度分组数据,选择定标状态相对稳定的时间段,基于大气顶反射率数据和观测几何数据,采用MODIS的核参数BRDF模型进行建模,回归得到BRDF模型参数k0(λ)和k1(λ);
ρ(λ,θ,φ,ψ)=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
其中,λ是波长;θ,φ,和ψ分别是太阳天顶角,卫星天顶角和相对方位角;ρ为大气顶反射率,k0,k1和k2为模型系数,f1和f2为体散射和几何光学核。
进一步的,伪不变目标大气顶方向特性订正,包括:
基于BRDF模型参数,对大气顶反射率数据Ref时间序列进行方向性校正,得到大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm;
ρ1=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
ρ0=k0(λ)+k1(λ)f1(0,0,0)+k2(λ)f2(0,0,0),
Refnorm=Ref/ρ1*ρ0,
其中,ρ1为采用BRDF模型计算的瞬时观测角度(θ,φ,ψ)下的大气顶反射率,ρ0为当θ,φ,ψ三个角度都为0时的大气顶反射率。
进一步的,仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建,包括:
设定基准角度参考,基于不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm,计算每个角度分组归一化反射率与基准角度归一化反射率的比值,得到入射角AOI所对应的RVS时间序列,建立RVS和AOI的函数关系:
RVS=1.01020414e+1.36841819e-03*AOI-2.56414528e-05*(AOI,)-2。
进一步的,RVS在轨时间变化特性分析,包括:
基于上述得到的RVS时间序列,根据上述角度分组,绘制RVS与时间关系图。
实施例2:
本实施例给出一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法的具体结构,如图2-8所示,以FY-3B VIRR的波段1沙漠稳定目标观测数据作为实例,分析判断VIRR仪器反射波段观测反射率受到观测角度的影响,建立BRDF模型,利用BRDF模型去除观测角度对观测反射率的影响,进而得到仪器辐射响应与卫星观测角度的依赖关系。本发明结合附图及具体的实施样例对本发明的技术方案做进一步描述。
S1伪不变目标区域筛选:
基于伪不变目标筛选原则:覆盖区域的范围具有代表性、区域长期稳定性好、而且要覆盖不同扫描角度,综合各种因素,最终选取沙漠Libya1、Libya4、Sonora、Algeria5为伪不变数据提取站点。
S2伪不变目标晴空数据提取:
如图2所示,具体实现步骤如下:
首先,提取伪不变目标数据,进行晴空筛选。
以伪不变目标经纬度为中心,提取15*15窗口对地观测数据,筛选近天底观测数据(卫星天顶角小于20度);
基于对地观测数据EV,进行冷空背景、日地距离和太阳天顶角校正,并基于定标系数Slope,计算窗口内各像元的大气顶(TOA)反射率Ref:
Ref=Slope*(EV-SV)/(cos(solz)*dss),
其中,SV为冷空背景值、solz为太阳天顶角、dss为日地距离。
计算窗口变异系数:CV=STD/AVE,其中STD和AVE分别是15*15窗口反射率的标准差和均值;
进行窗口数据筛选,形成时间序列。筛选条件:CV<0.05,波段1TOA平均反射率<0.5;
针对时间序列中每个有效数据,以前10点、后10点共20点为滑动窗口计算滑动窗口内的反射率均值AVE和标准差STD,剔除包络线AVE+1.5*STD、AVE-1.5*STD之外的数据,作为目标有效晴空数据。
其次,根据伪不变目标对应的仪器扫描角统计特征,将扫描角度进行分组。具体的,将扫描角-55~+55度转换为0~110度,,去掉扫描两端后等分为四个角度范围9~32度、32~55度、55~78度、78~101度。基于有效数据的观测列号计算对应的扫描角。将观测列号Col转换为对地观测角度值AOI。
再次,将有效晴空数据按照遥感器扫描角度进行分组,获得每一组扫描角度下特定目标的大气顶反射率数据Ref时间序列。
如图5所示,得到不同扫描角区间大气顶反射率时间序列数据Ref。
S3伪不变目标大气顶方向模型构建:
如图3所示,具体实现步骤如下:
利用步骤2得到的不同扫描角区间大气顶反射率时间序列数据,选取2010、2011、2012连续3年的数据稳定期数据,基于下述公式进行方向特性建模:
ρ=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
其中,λ是波长;θ,φ,和ψ分别是太阳天顶角,卫星天顶角和相对方位角;ρ为大气顶反射率;f1和f2为与角度相关的体散射和几何光学核;k0,k1和k2为拟合得到的模型系数。
S4伪不变目标大气顶方向特性订正:
如图4所示,具体实现步骤如下:
利用步骤3得到的模型系数,分别计算2种观测几何下的大气顶反射率模型估计值:
ρ(λ,θ,φ,ψ)=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
ρ0(λ,0,0,0)=k0(λ)+k1(λ)f1(0,0,0)+k2(λ)f2(0,0,0),
得到经过方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm:
Refnorm=Ref/ρ*ρ0。
如图6所示,得到不同扫描角区间大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm。
S5仪器辐射响应角度依赖关系构建:
具体实现步骤如下:
利用步骤4得到的不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm,选取2010、2011、2012年的数据稳定期数据;
以60度为入射角(AOI)基准角度,针对每一年,利用第三个角度区间的数据,拟合得到入射角与归一化反射率的关系(二次多项式),并据此关系估计得到对应年份入射角60度时的归一化反射率;
针对每一年,计算其它入射角时的归一化反射率与对应年份入射角60度时的归一化反射率的比值,作为该入射角的RVS,得到该年份RVS与AOI数据序列;如图7所示,得到不同年份RVS与入射角AOI的关系,可用多项式进行关系建模。
S6 RVS在轨时间变化特性分析:
具体实现步骤如下:
利用步骤4得到的RVS与AOI的数据序列;
如图8所示,绘制特定角度范围内,RVS与时间的变化关系图。
在特定角度组范围内,RVS随时间关系呈现长期稳定不变的数据趋势。
工作原理:如图1-8所示,本发明通过进行伪不变目标区域筛选,数据提取,再进行模型构建,方向特性订正,进而得到不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列,经过数据分析并得出仪器辐射响应角度依赖关系RVS,以及RVS在轨时间变化特性,解决辐射响应角度依赖特性的在轨评估监测与更新问题,弥补缺少太阳+漫反射板定标装置或者稳定月球定标观测的不足,基于所获得的辐射响应的角度依赖关系可以为卫星载荷定标校正优化提供有效依据,得到更为稳定的辐射响应,提高在轨定标质量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
伪不变目标区域筛选,其中,区域筛选原则为覆盖区域的范围具有代表性、区域长期稳定性好、且覆盖不同扫描角度;
伪不变目标数据提取;
伪不变目标大气顶方向模型构建;
伪不变目标大气顶方向特性订正;
仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建;
RVS在轨时间变化特性分析。
2.如权利要求1所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于:所述伪不变目标区域包括但不仅限于沙漠Libya1、Libya4、Sonora、Algeria5。
3.如权利要求2所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,所述伪不变目标数据提取,包括以下步骤:
获取有效晴空数据;
扫描角度分为若干个角度区间;
将有效晴空数据基于扫描角度的若干个角度区间分为若干个有效晴空数据组,若干个有效晴空数据组分别进行冷空背景、日地距离和太阳天顶角校正,并基于辐射定标系数,获得对应扫描角度下有效晴空数据组的大气顶反射率数据Ref时间序列,计算公式为:
Ref=Slope*(EV-SV)/(cos(solz)*dss),
其中,solz为太阳天顶角,dss为日地距离校正因子,SV为冷空背景值,EV为对地观测数码值,Slope为定标系数。
4.如权利要求3所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,所述获取有效晴空数据,包括以下步骤:
提取伪不变目标中心点N*N窗口的对地观测数据,筛选近天底观测数据;
以窗口内变异系数作为晴空判据,对窗口数据进行均匀性检测,以变异系数小于阈值TH的窗口均值数据形成时间序列;
设置云检测反射率阈值MaxRef,剔出波段反射率大于MaxRef的数据;
以每个有效数据前后M个数据点滑动计算均值和标准差,得到数据均值±1.5*标准差包络线,剔除包络线外的数据,获得有效晴空数据;
所述扫描角度分组,分为若干个角度区间,包括以下步骤:根据伪不变目标对应的仪器扫描角度统计特征,将扫描角度进行分组,将可能的对地扫描角度范围分为若干个角度区间。
5.如权利要求4所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于:所述N值为15,所述阈值TH为0.05,所述M为10,所述MaxRef为0.5,所述近天底观测数据包括但不仅限于卫星天顶角SenZ<20度。
6.如权利要求5所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,所述伪不变目标大气顶方向模型构建,包括:
对于特定目标的特定角度分组数据,选择定标状态相对稳定的时间段,基于大气顶反射率数据和观测几何数据,采用MODIS的核参数BRDF模型进行建模,回归得到BRDF模型参数k0(λ)和k1(λ);
ρ(λ,θ,φ,ψ)=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
其中,λ是波长;θ,φ,和ψ分别是太阳天顶角,卫星天顶角和相对方位角;ρ为大气顶反射率,k0,k1和k2为模型系数,f1和f2为体散射和几何光学核。
7.如权利要求6所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,所述伪不变目标大气顶方向特性订正,包括:
基于BRDF模型参数,对大气顶反射率数据Ref时间序列进行方向性校正,得到大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm;
ρ1=k0(λ)+k1(λ)f1(θ,φ,ψ)+k2(λ)f2(θ,φ,ψ),
ρ0=k0(λ)+k1(λ)f1(0,0,0)+k2(λ)f2(0,0,0),
Refnorm=Ref/ρ1*ρ0,
其中,ρ1为采用BRDF模型计算的瞬时观测角度(θ,φ,ψ)下的大气顶反射率,ρ0为当θ,φ,ψ三个角度都为0时的大气顶反射率。
8.如权利要求7所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,所述仪器辐射响应角度依赖关系RVS构建,包括:
设定基准角度参考,基于不同伪不变目标的大气顶方向特性订正后的归一化反射率时间序列Refnorm,计算归一化反射率与基准角度归一化反射率的比值,得到入射角AOI所对应的RVS时间序列数据,以二次多项式形式建立RVS和AOI的函数关系。
9.如权利要求8所述的一种基于伪不变目标的遥感器反射波段在轨角度响应评估方法,其特征在于,所述RVS在轨时间变化特性分析,包括:
基于上述得到的RVS时间序列,根据上述角度分组,绘制RVS与时间关系图。
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